EP0822027B1 - Verfahren zum Härten von Werkstückoberflächen mittels Strahlen, insbesondere mittels Laserstrahlen, und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Härten von Werkstückoberflächen mittels Strahlen, insbesondere mittels Laserstrahlen, und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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EP0822027B1
EP0822027B1 EP19960112574 EP96112574A EP0822027B1 EP 0822027 B1 EP0822027 B1 EP 0822027B1 EP 19960112574 EP19960112574 EP 19960112574 EP 96112574 A EP96112574 A EP 96112574A EP 0822027 B1 EP0822027 B1 EP 0822027B1
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EP
European Patent Office
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temperature
work
deviation
hardening
movement
Prior art date
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EP0822027B2 (de
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Roland Dr. c/o INPRO.. GmbH Wahl
Toni c/o INPRO .. GmbH Brandl
Michael Dr. c/o INPRO.. GmbH Anders
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Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
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Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/034—Observing the temperature of the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/083—Devices involving movement of the workpiece in at least one axial direction
    • B23K26/0838—Devices involving movement of the workpiece in at least one axial direction by using an endless conveyor belt
    • B23K26/0846—Devices involving movement of the workpiece in at least one axial direction by using an endless conveyor belt for moving elongated workpieces longitudinally, e.g. wire or strip material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation

Definitions

  • the invention relates to a method for hardening workpiece surfaces by means of rays, in particular by means of Laser beams, in which a laser beam forming hardness optics and moves the workpiece surface relative to each other the impact of the working laser beam spot during hardening by deflecting movement of beam shaping devices the hardness optics transverse to the feed direction oscillates and the workpiece surface temperature continuously measured and their distribution along the feed direction is regulated.
  • the invention relates to a device of the method with an adjustable beam source, in particular a solid-state laser, with a hardness optic with a beam-shaping Deflection device from which the working laser beam spot is pointing a workpiece surface transverse to the feed direction is oscillatingly applicable, with a device for Generate a relative feed movement of hardness optics and workpiece surface and with devices for detection the workpiece surface temperature.
  • an adjustable beam source in particular a solid-state laser
  • a hardness optic with a beam-shaping Deflection device from which the working laser beam spot is pointing a workpiece surface transverse to the feed direction is oscillatingly applicable
  • a device for Generate a relative feed movement of hardness optics and workpiece surface and with devices for detection the workpiece surface temperature.
  • the control and regulation of the workpiece surface temperature during beam hardening such as the laser beam hardening is a necessary prerequisite for optimizing the Work process.
  • beam hardening such as the laser beam hardening
  • such a regulation prevents damage the surface due to melting, which and reduces reject costs.
  • the aim of the invention is here current point of impact of the beam on the workpiece surface to watch and the current temperature in the To measure the point of impact.
  • One with the temperature measurement coupled controller generates using different Target variables and actual variables are determined manipulated variables, so that the required temperature profile at the impact points of the deflected beam, with an actuator Relative movement between the workpiece surface and the Tool (hardness optics) is generated, so that large areas can be irradiated.
  • the control loops contained in the controller have to ensure compliance with the required Temperatures resulting from machining-specific specifications let it be determined in every single impact of the Beam and the workpiece surface.
  • the invention has for its object a method and a device for its implementation according to the entry to provide the kind mentioned, with the a controlled distribution of the workpiece surface temperature lengthways and crossways to the feed direction for generation constant hardening marks with the desired geometry is also possible with inhomogeneous workpiece surfaces.
  • Material properties, the hardening depth, the heating and Cooling time, the workpiece geometry, the deflection movement, the feed movement and the machining time selected.
  • the temperature becomes the hottest Location of the workpiece surface line irradiated by the laser to control the laser power level based on the spatially resolved temperature measurement across the feed direction used.
  • a proportional control of the temperature can be done by of the requested temperature signal the current one subtracted and the difference with a factor X to Control of the beam power is multiplied, the Beam deflection periodically sinusoidal and the feed rate be kept constant.
  • the beam source should always be at its Performance limit is maintained, there is a relative short processing time. Will during beam deflection the required temperature even at low blasting powers reached, the feed speed can be up to to the beam power limit.
  • the temperature control device preferably has one the partially transparent mirror of the hardness optics in the direction Deflecting mirror subordinate to the course of the thermal radiation on, from which the temperature radiation by a Series arrangement of a bandpass filter, an aperture and a lens is steerable, from which the temperature radiation can be focused on a downstream pinhole, the one IR detector is arranged in the beam direction, from which always the temperature in the point of impact transverse to the feed direction oscillating working laser beam spot exactly is measurable.
  • the deflection device of the hardening optics can be a scanner or Be a vibrating mirror.
  • the measured Temperature radiation of the workpiece surface same beam path as the power beam including all deflecting mirror forming the working beam is passed achieved that exactly the temperature at the point of impact of the Laser beam spot is measured.
  • the distraction movement of the beam shaping devices for the laser beam thus the distribution of the maximum workpiece surface temperatures received across the feed direction.
  • suitable algorithms generate a coordinated distribution of laser beam energy, which ensures the desired homogeneous temperature distribution.
  • the movement forms of the Beam shaping used movable beam deflecting mirror used with a laser that can be controlled sufficiently quickly also the time course of the laser power.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of the device for controlling the workpiece surface temperature shows, that from a beam source 1, e.g. one Solid-state laser coming power beam 2 of a laser beam shaping Hardening optics 4 supplied, in which it from a Lens 3 directed to a partially transparent deflecting mirror 5 and after deflection by 90 ° by the latter via another Lens 6 on one with respect to its deflection speed (Arrow 7) controllable oscillating mirror 8 is directed by which he hits on the surface 9 of a drive motor 10 movable (see double arrow 11) workpiece 12 such focused to a beam spot 13 for hardening the latter is that the impact point 14 of the working laser beam spot 13 during hardening by the deflection movement of the Vibration mirror 8 transverse to the feed direction 11 of the workpiece 12 oscillates.
  • a beam source 1 e.g. one Solid-state laser coming power beam 2 of a laser beam shaping Hardening optics 4 supplied, in which it from a Lens 3 directed to a partially transparent de
  • the directly from the respective impact point 14 of the working laser beam spot 13 coming temperature radiation 15 will colinear to the beam path 2 of the working laser 1 through the Hardening optics 4 passed through, i.e. it runs as if Fig. 1 can be seen from the impact point 14 of the working laser beam spot 13 to the oscillating mirror 8 and from this over the lens 6 to the partially transparent mirror 5 of the hardening optics 4, through which it passes and onto a deflecting mirror 16 reaches a temperature control device 17, of which the temperature radiation after deflection by 90 ° in the temperature control device 17 by an arrangement a bandpass filter 18, an aperture 19 and a lens 20 steered and from the latter to a pinhole 21 is focused, an IR detector 22 in the beam direction is subordinate.
  • the lens 20 and the pinhole 21 are as can be seen from the double arrows 23 and 24, in Beam direction or perpendicular to this back and forth.
  • the IR detector 22 is always the exact Temperature at each point of impact 14 of the working laser beam spot measured immediately.
  • the input 26 of the control circuit 27 of the controller 28 is continue with the output 35 of the beam source 1, the Output 36 of the drive motor generating the feed movement 10 and the output 37 of a drive 38 of the controllable in terms of its deflection speed Vibration mirror 8 for receiving the actual beam power or the actual feed movement or the actual beam deflection.
  • the input 34 of the control loop processing setpoints 33 of the controller 28 are considered machining-specific Specifications from which the required temperatures can be found have it determined, e.g. Material properties, the hardening depth, the heating and cooling time, the workpiece geometry, the deflection movement, the feed movement and entered the processing time.
  • the output 39 of the control circuit 31 of the controller 28, in which from the actual values entered via input 30 and Target values after their comparison, the required manipulated variables are generated is with the input 40 of the beam source 1, the input 41 of the drive motor 10 and the Input 42 of the drive 38 of the oscillating mirror 8 for Control of the required homogeneous temperature curve adapted distribution of laser beam energy or adjusted feed motion or adjusted beam deflection connected.
  • FIG. 3 shows that of the controller in this Case generated to compensate for the scan path, one faster passage on the right side of the lane is.
  • the diagram according to FIG. 4, in which the temperature is plotted over the track length, is related to a further sub-strategy for process optimization, in which the energy is regulated in the feed direction (path energy).
  • the temperature curve shows that the laser power P L is reduced at point 1 and the laser power P L is increased at point 2 by regulating the path energy in the feed direction.
  • such a procedure can also be set up using commercially available pyrometers, which have a less local resolution, but only an average temperature above the processing zone can be used as a signal.
  • the method according to the invention proves even more precise in this sub-strategy, and the temperature of the actually hottest single point can be used as a signal, for example.
  • a third sub-strategy for process optimization is based on the controlled start of the work movement, i.e. According to the invention on the temperature-controlled determination of Anfahrzeitnoss. This procedure, which can be changed at any time from the regulation of the beam energy distribution across Machining direction by influencing the scanner and the Regulation of the energy in the feed direction by coupling of the controller with the drive motor for the feed movement can be produced is also extremely precise.
  • FIG. 5 shows the spatially resolved one Temperature measurement during curing with temperature controlled Scanner movement, the controller the Adjust scanner movement so that it is as desired, as Fig. 5 shows the same high temperatures everywhere.
  • FIG. 6 shows the spatially resolved one Temperature measurement during curing with sinusoidal scanner movement without the use of the controller, with higher temperatures in the near zones and in middle range lower temperatures result from the diagram can be read.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von Werkstückoberflächen mittels Strahlen, insbesondere mittels Laserstrahlen, bei dem eine laserstrahlformende Härteoptik und die Werkstückoberfläche relativ zueinander bewegt werden, der Auftreffort des Arbeitslaserstrahlflecks während des Härtens durch Ablenkbewegung von Strahlformungseinrichtungen der Härteoptik quer zur Vorschubrichtung oszilliert und die Werkstückoberflächentemperatur fortlaufend gemessen und ihre Verteilung längs der Vorschubrichtung geregelt wird.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung des Verfahrens, mit einer regelbaren Strahlquelle, insbesondere einem Festkörperlaser, mit einer Härteoptik mit einer strahlformenden Ablenkeinrichtung, von der der Arbeitslaserstrahlfleck auf einer Werkstückoberfläche quer zur Vorschubrichtung oszillierend aufbringnbar ist, mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer relativen Vorschubbewegung von Härteoptik und Werkstückoberfläche und mit Einrichtungen zum Erfassen der Werkstückoberflächentemperatur.
Die Kontrolle und Regelung der Werkstückoberflächentemperatur beim Strahlhärten wie z.B. dem Laserstrahlhärten ist eine notwendige Voraussetzung zur Optimierung des Arbeitsprozesses. Durch Einhalten einer angepaßten, in der Regel homogenen und geringfügig unterhalb der Schmelztemperatur liegenden Verteilung der Werkstückoberflächentemperatur längs und quer zur Vorschubrichtung werden vorgegebene Härtespurbreiten mit gleichmäßigen Spurtiefen bei höchstmöglicher Vorschubgeschwindigkeit erreicht. Gleichzeitig verhindert eine solche Regelung die Beschädigung der Oberfläche durch Anschmelzungen, was Nacharbeits- und Ausschußkosten senkt.
Es ist bekannt, bei der Präzisionsbearbeitung von Werkstückoberflächen mit Festkörperlasern zur Erfassung der Werkstückoberflächentemperatur Pyrometer einzusetzen (vgl. z.B. "Präzisionsbearbeitung mit Festkörperlasern" in "Laser in der Materialbearbeitung", Band 4, 1995, Herausgeber: VDI-Technologiezentrum; Physikalische Technologie). Zur Erfassung der Oberflächentemperatur werden üblicherweise dem Werkstück zugewandte pyrometrische Detektoren zusätzlich zu der laserstrahlformenden Härteoptik montiert und gemeinsam mit dieser in der Vorschubbewegung über das Werkstück verfahren. Sie ermitteln die durchschnittliche Temperatur in ihrem Meßfleck. Der heißeste Ort während des Härtungsvorgangs ist aber der jeweils momentane Auftreffort des Laserstrahlflecks, der aufgrund der strahlformenden Ablenkeinrichtungen quer zur Vorschubrichtung oszilliert, sich somit permanent ändert und dessen Temperatur daher auf diese Weise nur unzureichend erfaßt werden kann.
Zur Erreichung möglichst homogener Werkstückoberflächentemperaturen quer zur Vorschubrichtung werden daher bislang nicht der aktuellen Temperaturverteilung angepaßte, sondern konstante Strahlenergieverteilungen mittels fest eingestellter Strahlablenkungsformen erzeugt. Dieses Verfahren liefert jedoch nur bei homogenen Werkstück- und Werkstückoberflächeneigenschaften sowie konstanten Verfahrensrandbedingungen zufriedenstellende Ergebnisse. In Vorschubrichtung wird der Mittelwert der Strahlenergieverteilung auf Basis der gemessenen mittleren Temperatur im Pyrometermeßfleck geregelt.
Für verschiedene Bearbeitungsverfahren von Werkstückoberflächen ist deren definierte Erwärmung gefordert. So wird beim Verfahren zum Strahlhärten von Werkstückoberflächen die Energie eines Strahls derart geformt, daß sie in bestimmter Form (geometrische Ausdehnung und Verteilung) auf die Werkstückoberfläche auftrifft. Der Strahl wird abgelenkt und führt dadurch eine Bewegung auf der Werkstückoberfläche aus. Ziel der Erfindung ist es hierbei, den momentanen Auftreffpunkt des Strahls auf der Werkstückoberfläche zu beobachten und die momentane Temperatur im Auftreffpunkt zu messen. Ein mit der Temperaturmessung gekoppelter Regler generiert unter Verwendung verschiedener Sollgrößen und Istgrößen bestinmte Stellgrößen, so daß sich der geforderte Temperaturverlauf an den Auftrefforten des abgelenkten Strahls ergibt, wobei durch einen Aktor eine Relativbewegung zwischen der Werkstückoberfläche und dem Werkzeug (Härteoptik) erzeugt wird, so daß große Flächen bestrahlt werden können. Die im Regler enthaltenen Regelkreise haben dabei für die Einhaltung der geforderten Temperaturen, die sich aus bearbeitungsspezifischen Vorgaben bestimmen lassen, in jedem einzelnen Auftreffort des Strahls und der Werkstückoberfläche zu sorgen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung gemäß der eingangs erwähnten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem bzw. der eine geregelte Verteilung der Werkstückoberflächentemperatur längs und quer zur Vorschubrichtung zur Erzeugung gleichbleibender Härtungsspuren mit gewünschter Geometrie auch bei inhomogenen Werkstückoberflächen möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
  • die Temperaturstrahlung des quer zur Vorschubrichtung oszillierenden Auftreffortes des Arbeitslaserstrahlflecks mittels teildurchlässiger Spiegel kolinear zum Strahlengang des Arbeitslasers durch die Härteoptik hindurch einer Temperaturkontrolleinrichtung zugeführt wird, von der stets momentan die Temperatur im Auftreffort des Arbeitslaserstrahlflecks exakt erfaßt wird, und daß
  • die ermittelten Temperaturmeßdaten einem mit der Strahlquelle, der Strahlablenkung und Vorschubbewegung gekoppelten Regler eingegeben werden, in dem eine Temperaturverteilung quer zur Vorschubrichtung ermittelt wird und über den eine darauf abgestimmte Verteilung der Laserstrahlenergie und eine angepaßte Steuerung der Ablenkbewegung der Strahlformungseinrichtungen der Härteoptik und der Vorschubbewegung unter Berücksichtigung bearbeitungsspezifischer Vorgaben derart erfolgen, daß eine homogene Temperaturverteilung auf der Werkstückoberfläche längs und quer zur Vorschubrichtung erzeugt wird.
Vorzugsweise werden als bearbeitungsspezifische Vorgaben Materialeigenschaften, die Einhärtetiefe, die Erwärmungsund Abkühlungsdauer, die Werkstückgeometrie, die Auslenkbewegung, die Vorschubbewegung und die Bearbeitungszeit gewählt.
In Vorschubrichtung wird die Temperatur der heißesten Stelle der vom Laser bestrahlten Werkstückoberflächenlinie zur Regelung des Laserleistungsniveaus aufgrund der ortsaufgelösten Temperaturmessung quer zur Vorschubrichtung genutzt.
Eine Proportionalregelung der Temperatur kann erfolgen, indem vom geforderten Temperatursignal das aktuelle subtrahiert und die Differenz mit einem Faktor X zur Steuerung der Strahlleistung multipliziert wird, wobei die Strahlablenkung periodisch sinusförmig und die Vorschubgeschwindigkeit konstant gehalten werden.
Auch kann eine komplexe Regelung der Temperatur durchgeführt werden, indem aus dem Temperaturverlauf eines vorausgegangenen Arbeitszyklusses eine Ablenkungsbewegung erzeugt wird, die durch die entsprechende Geschwindigkeit die geforderte Temperatur für den folgenden Arbeitszyklus einstellt, wobei zur Anpassung der Einwirkdauer des Strahls für jeden einzelnen Punkt bei hohen Temperaturen die Ablenkgeschwindigkeit abschnittsweise erhöht und bei niedrigen abschnittsweise gesenkt wird und wobei die Strahlablenkung und die Vorschubbewegung annähernd so gehalten werden, daß die Strahlquelle immer an der Leistungsgrenze gehalten wird.
Bekannte Abschnitte fehlender Werkstückoberflächen (Bohrungen oder Kanten am Werkstück) werden bevorzugt mit hoher Ablenkgeschwindigkeit übersprungen.
Erfolgen Strahlablenkung und Vorschubbewegung gemäß dem Idealfall so, daß die Strahlquelle immer an ihrer Leistungsgrenze gehalten wird, ergibt sich eine relativ kurze Bearbeitungszeit. Wird während der Strahlablenkung die geforderte Temperatur schon bei niedrigen Strahlleistungen erreicht, kann die Vorschubgeschwindigkeit bis an die Strahlleistungsgrenze erhöht werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß
  • die Härteoptik mindestens einen teildurchlässigen Spiegel aufweist, durch den unmittelbar vom Auftreffort des Arbeitslaserstrahlflecks kommende Temperaturstrahlung über die Ablenkeinrichtung durch die Härteoptik hindurch einer Temperaturkontrolleinrichtung zuführbar ist, von der stets momentan die Temperatur am Auftreffort des Arbeitslaserstrahlflecks auch quer zur Vorschubrichtung meßbar ist,
  • daß der Ausgang der Temperaturkontrolleinrichtung mit einem Eingang eines Istgrößen verarbeitenden Regelkreises eines Reglers verbunden ist, dem die Meßdaten der Temperaturverteilung quer zur Vorschubrichtung zur Verarbeitung eingebbar sind und der mit dem Ausgang der Strahlquelle, dem Ausgang der Einrichtung zum Erzeugen der relativen Vorschubbewegung und dem Ausgang des Antriebs der Ablenkeinrichtung zur Aufnahme der Ist-Strahlleistung bzw. der Ist-Vorschubbewegung bzw. der Ist-Strahlablenkung verbunden ist,
  • daß der den Istgrößen zugeordnete Regelkreis des Reglers ausgangsseitig mit dem Eingang eines Stellgrößen erzeugenden Regelkreises des Reglers verbunden ist, der eingangsseitig zugleich mit dem Ausgang eines Sollgrößen verarbeitenden Regelkreises des Reglers verbunden ist, dessen Eingang bearbeitungsspezifische Vorgaben aufnimmt, und
  • daß der Ausgang des Stellgrößen erzeugenden Regelkreises des Reglers mit dem Eingang der Strahlquelle, dem Eingang der Einrichtung zum Erzeugen der relativen Vorschubbewegung und dem Eingang des Antriebs der Ablenkeinrichtung zur Steuerung einer an einen homogenen Temperaturverlauf angepaßten Verteilung der Laserstrahlenergie bzw. angepaßten Vorschubbewegung bzw. angepaßten Strahlablenkung verbunden ist.
Vorzugsweise weist die Temperaturkontrolleinrichtung einen dem teildurchlässigen Spiegel der Härteoptik in Richtung des Verlaufs der Temperaturstrahlung nachgeordneten Umlenkspiegel auf, von dem die Temperaturstrahlung durch eine Reihenanordnung eines Bandpaßfilters, einer Blende und einer Linse lenkbar ist, von der die Temperaturstrahlung auf eine nachgeordnete Lochblende fokussierbar ist, der ein IR-Detektor in Strahlrichtung nachgeordnet ist, von dem stets die Temperatur im Auftreffort des quer zur Vorschubrichtung oszillierenden Arbeitslaserstrahlflecks exakt meßbar ist.
Die Ablenkeinrichtung der Härteoptik kann ein Scanner- oder Schwingspiegel sein.
Da gemäß der Erfindung dafür gesorgt wird, daß die gemessene Temperaturstrahlung der Werkstückoberfläche den selben Strahlweg wie der Leistungsstrahl inklusive aller den Arbeitsstrahl formender Ablenkspiegel durchläuft, wird erreicht, daß stets exakt die Temperatur am Auftreffort des Laserstrahlflecks gemessen wird. Durch die Ablenkbewegung der Strahlformungseinrichtungen für den Laserstrahl wird somit die Verteilung der maximalen Werkstückoberflächentemperaturen quer zur Vorschubrichtung erhalten. Durch die sich anschließende verhältnismäßig schnelle Meßdatenverarbeitung ist es möglich, aus der gemessenen Temperaturverteilung mittels geeigneter Algorithmen eine darauf abgestimmte Verteilung der Laserstrahlenergie zu erzeugen, die für die gewünschte homogene Temperaturverteilung sorgt. Als Stellgrößen hierzu werden die Bewegungsformen der zur Strahlformung eingesetzten beweglichen Strahlablenkspiegel genutzt, bei einem hinreichend schnell steuerbaren Laser auch der zeitliche Verlauf der Laserleistung.
Als besondere Vorteile der Erfindung erweisen sich:
  • durch ortsaufgelöste Temperaturmessung und angepaßte Regelstrategie die Erzeugung gleichbleibender Härtungsspuren mit gewünschter Geometrie auch bei inhomogenen Werkstückoberflächen;
  • die mögliche Einhaltung gewünschter Werkstückoberflächentemperaturen auch bei Schwankung beeinflussender Verfahrensrandbedingungen, wie z.B. der Eigenwärme der Werkstücke;
  • die Nutzung des selben Strahlwegs für Meßstrahlung und Laserleistungsstrahlung, wodurch eine exakte Temperaturmessung am momentanen Laserstrahlauftreffort (heißeste Stelle) ohne großen apparativen Aufwand ermöglicht ist;
  • eine unbeeinträchtigte Zugänglichkeit zu den Werkstücken, da keine dem Werkstück zugewandten, zusätzlichen Komponenten benötigt werden; und
  • die Verwendung ohnehin für das Härten benötigter Stellglieder zur Temperaturregelung (Laserleistungssteuerung und programmierbare Strahlablenksysteme).
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen sind:
Fig. 1
eine prinzipielle blockschaltbildartige Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2
ein Diagramm, das bei einer Regelung der Strahlenergieverteilung quer zur Bearbeitungsrichtung durch Scannerbeeinflussung den gemessenen Temperaturverlauf über die Spurbreite zeigt,
Fig. 3
ein Diagramm, das für das in Fig. 1 gezeigte Beispiel eine vom Regler zum Ausgleich generierte Scannerbahn zeigt,
Fig. 4
ein Diagramm, in dem die Temperatur über die Spurlänge in Bearbeitungsrichtung aufgetragen und die Regelung der Energie in Vorschubrichtung erkennbar ist,
Fig. 5
ein Diagramm, aus dem die ortsaufgelöste Temperaturmessung während des Härtens mit temperaturgeregelter Scannerbewegung hervorgeht,
Fig. 6
ein Diagramm, aus dem die ortsaufgelöste Temperaturmessung während des Härtens mit sinusförmiger Scannerbewegung ohne Reglereinsatz hervorgeht,
Fig. 7
eine schematische Darstellung, aus der ein allmähliches Erreichen der geplanten Spurtiefe ohne Temperaturregelung hervorgeht und
Fig. 8
eine schematische Darstellung, aus der ein schnelles Erreichen der geplanten Spurtiefe bei Temperaturregelung hervorgeht.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, die ein Prinzipbild der Vorrichtung zur Regelung der Werkstückoberflächentemperatur zeigt, wird der von einer Strahlquelle 1, z.B. einem Festkörperlaser kommende Leistungsstrahl 2 einer laserstrahlformenden Härteoptik 4 zugeführt, in der er von einer Linse 3 auf einen teildurchlässigen Umlenkspiegel 5 gelenkt und nach Umlenkung um 90° durch letzteren über eine weitere Linse 6 auf einen hinsichtlich seiner Ablenkgeschwindigkeit (Pfeil 7) steuerbaren Schwingspiegel 8 gerichtet wird, von dem er auf die Oberfläche 9 eines von einem Antriebsmotor 10 bewegbaren (siehe Doppelpfeil 11) Werkstücks 12 derart zum Härten des letzteren zu einem Strahlfleck 13 fokussiert wird, daß der Auftreffort 14 des Arbeitslaserstrahlflecks 13 während des Härtens durch die Ablenkbewegung des Schwingspiegels 8 quer zur Vorschubrichtung 11 des Werkstücks 12 oszilliert.
Die unmittelbar vom jeweiligen Auftreffort 14 des Arbeitslaserstrahlflecks 13 kommende Temperaturstrahlung 15 wird kolinear zum Strahlgang 2 des Arbeitslasers 1 durch die Härteoptik 4 hindurchgeführt, d.h. sie verläuft, wie aus Fig. 1 ersichtlich, vom Auftreffort 14 des Arbeitslaserstrahlflecks 13 zum Schwingspiegel 8 und von diesem über die Linse 6 zu dem teildurchlässigen Spiegel 5 der Härteoptik 4, durch den sie hindurchtritt und auf einen Umlenkspiegel 16 einer Temperaturkontrolleinrichtung 17 gelangt, von dem die Temperaturstrahlung nach Umlenkung um 90° in der Temperaturkontrolleinrichtung 17 durch eine Anordnung aus einem Bandpaßfilter 18, einer Blende 19 und einer Linse 20 gelenkt und von letzterer auf eine Lochblende 21 fokussiert wird, der in Strahlrichtung ein IR-Detektor 22 nachgeordnet ist. Die Linse 20 und die Lochblende 21 sind, wie aus den Doppelpfeilen 23 bzw. 24 ersichtlich ist, in Strahlrichtung bzw. senkrecht zu dieser hin- und herbeweglich. Von dem IR-Detektor 22 wird stets exakt die Temperatur in jedem Auftreffpunkt 14 des Arbeitslaserstrahlflecks unmittelbar gemessen.
Mit dem IR-Detektor 22 und damit mit dem Ausgang 25 der Temperaturkontrolleinrichtung 17 ist ein Eingang 26 eines Istgrößen verarbeitenden Regelkreises 27 eines Reglers 28 verbunden, dessen Ausgang 29 wiederum mit dem Eingang 30 eines Stellgrößen erzeugenden Regelkreises 31 des Reglers 28 verbunden. Der Eingang 30 des Regelkreises 31 ist weiterhin mit dem Ausgang 32 eines weiteren Sollgrößen verarbeitenden Regelkreises 33 des Reglers 28 verbunden, in dessen Eingang 34 bearbeitungsspezifische Vorgaben als Bearbeitungsparameter eingebbar sind.
Der Eingang 26 des Regelkreises 27 des Reglers 28 ist weiterhin mit dem Ausgang 35 der Strahlquelle 1, dem Ausgang 36 des die Vorschubbewegung erzeugenden Antriebsmotors 10 und dem Ausgang 37 eines Antriebs 38 des hinsichtlich seiner Ablenkgeschwindigkeit steuerbaren Schwingspiegels 8 zur Aufnahme der Ist-Strahlleistung bzw. der Ist-Vorschubbewegung bzw. der Ist-Strahlablenkung verbunden.
Dem Eingang 34 des Sollgrößen verarbeitenden Regelkreises 33 des Reglers 28 werden als bearbeitungsspezifische Vorgaben, aus der sich die geforderten Temperaturen bestimmen lassen, z.B. Materialeigenschaften, die Einhärttiefe, die Erwärmungs- und Abkühlungsdauer, die Werkstückgeometrie, die Auslenkbewegung, die Vorschubbewegung und die Bearbeitungszeit eingegeben.
Der Ausgang 39 des Regelkreises 31 des Reglers 28, in dem aus den über den Eingang 30 eingegebenen Istgrößen und Sollgrößen nach deren Abgleich die erforderlichen Stellgrößen erzeugt werden, ist mit dem Eingang 40 der Strahlquelle 1, dem Eingang 41 des Antriebsmotors 10 und dem Eingang 42 des Antriebs 38 des Schwingspiegels 8 zur Steuerung einer an den geforderten homogenen Temperaturverlauf angepaßten Verteilung der Laserstrahlenergie bzw. angepaßten Vorschubbewegung bzw. angepaßten Strahlablenkung verbunden.
Über eine verhältnismäßig schnelle Meßdatenverarbeitung der stets in den Auftrefforten 14 des Arbeitslaserstrahlflecks 13 momentan exakt gemessenen Temperaturen ist somit eine optimale Erreichung homogener Werkstückoberflächentemperaturen längs und quer zur Vorschubrichtung 11 auf einfache Weise möglich.
Die Fig. 2 und 3 stehen im Zusammenhang mit einer Teilstrategie zur Verfahrensoptimierung, bei der die Regelung der Strahlenergieverteilung quer zur Bearbeitungsrichtung durch Scannerbeeinflussung erfolgt, wobei auch eine geregelte Oberflächentemperaturverteilung bei inhomogenen Werkstückeigenschaften wie z.B. lokalen Verzunderungen, Bohrlöcher und die Annäherung an Kanten angestrebt wird. Wie Fig. 2 zeigt, aus der die gemessene Temperaturverteilung über die Spurbreite hervorgeht, ist die Temperatur im Diagramm rechts oben schon fast zu heiß, da sie an die Schmelztemperatur Tschmelz herankommt.
Das Diagramm gemäß Fig. 3 zeigt die vom Regler in diesem Fall zum Ausgleich generierte Scannerbahn, wobei eine schnellere Durchfahrt der rechten Spurseite zu erkennen ist.
Das Diagramm gemäß Fig. 4, in dem die Temperatur über die Spurlänge aufgetragen ist, steht im Zusammenhang mit einer weiteren Teilstrategie zur Verfahrensoptimierung, bei der eine Regelung der Energie in Vorschubrichtung (Streckenenergie) erfolgt. Der Temperaturverlauf zeigt, daß bei Punkt 1 eine Absenkung der Laserleistung PL und bei Punkt 2 eine Erhöhung der Laserleistung PL durch die Regelung der Streckenenergie in Vorschubrichtung erfolgt. Eine derartige Vorgehensweise läßt sich prinzipiell auch mit handelsüblichen, örtlich weniger gut aufgelöst messenden Pyrometern aufbauen, wobei jedoch nur eine mittlere Temperatur über der Bearbeitungszone als Signal genutzt werden kann. Da erfindungsgemäß jedoch quer zur Vorschubrichtung aufgelöst und äußerst schnell gemessen werden kann, erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren auch bei dieser Teilstrategie noch präziser, und es kann z.B. die Temperatur der tatsächlich heißesten Einzelstelle als Signal genutzt werden.
Eine dritte Teilstrategie zur Verfahrensoptimierung basiert auf dem geregelten Anfahren der Arbeitsbewegung, d.h. erfindungsgemäß auf der temperaturgeregelten Festlegung des Anfahrzeitpunktes. Diese Vorgehensweise, die sich jederzeit aus der Regelung der Strahlenergieverteilung quer zur Bearbeitungsrichtung durch Scannerbeeinflussung und der Regelung der Energie in Vorschubrichtung durch Koppelung des Reglers mit dem Antriebsmotor für die Vorschubbewegung herstellen läßt, ist ebenfalls äußerst präzise durchführbar.
Aus dem Diagramm gemäß Fig. 5 geht die ortsaufgelöste Temperaturmessung während des Härtens mit temperaturgeregelter Scannerbewegung hervor, wobei der Regler die Scannerbewegung so anpaßt, daß wunschgemäß, wie Fig. 5 zeigt, überall gleich hohe Temperaturen entstehen.
Die Parameter sind in diesem Fall wie folgt:
  • P = 2500 W
  • V = 0,7 m/min
  • Strahldurchmesser: 6,1 mm
  • Scanbreite: 14,6 mm
    • Das Diagramm gemäß Fig. 6 zeigt demgegenüber die ortsaufgelöste Temperaturmessung während des Härtens mit sinusförmiger Scannerbewegung ohne den Einsatz des Reglers, wobei sich in randnahen Zonen höhere Temperaturen und im mittleren Bereich niedrigere Temperaturen ergeben, wie aus dem Diagramm ablesbar ist.
    Die Parameter sind hier dieselben wie in bezug auf Fig. 5 angegeben.
    Die Fig. 7 und 8 geben schließlich schaubildartig das allmähliche Erreichen der geplanten Spurtiefe beim Anfahren der Vorschubbewegung während des Härtens ohne Temperaturregelung bzw. das schnelle Erreichen der geplanten Spurtiefe beim Anfahren der Vorschubbewegung während des Härtens mit Temperaturregelung gemäß der oben beschriebenen Teilstrategie zur Verfahrensoptimierung wieder.
    Liste der Bezugszeichen
    1
    Strahlquelle, Festkörperlaser
    2
    Leistungsstrahl, Strahlengang des Arbeitslasers
    3
    Linse
    4
    Härteoptik
    5
    teildurchlässiger Umlenkspiegel
    6
    Linse
    7
    Pfeil für Ablenkgeschwindigkeit
    8
    Schwingspiegel
    9
    Werkstückoberfläche
    10
    Antriebsmotor
    11
    Doppelpfeil für Vorschubrichtungen
    12
    Werkstück
    13
    Arbeitslaserstrahlfleck
    14
    Auftreffort
    15
    Temperaturstrahlung
    16
    Umlenkspiegel
    17
    Temperaturkontrolleinrichtung
    18
    Bandpaßfilter
    19
    Blende
    20
    Linse
    21
    Lochblende
    22
    IR-Detektor
    23
    Doppelpfeil für Bewegung der Linse 20
    24
    Doppelpfeil für Bewegung der Lochblende 21
    25
    Ausgang der Temperaturkontrolleinrichtung
    26
    Eingang des Regelkreises 27
    27
    Regelkreis für Istgrößen
    28
    Regler
    29
    Ausgang des Regelkreises 27 für Istgrößen
    30
    Eingang des Regelkreises 31 für Stellgrößen
    31
    Regelkreis für Stellgrößen
    32
    Ausgang des Regelkreises 33 für Sollgrößen
    33
    Regelkreis für Sollgrößen
    34
    Eingang des Regelkreises 33 für Sollgrößen
    35
    Ausgang der Strahlquelle 1
    36
    Ausgang des Antriebsmotors 10
    37
    Ausgang des Antriebs 38 des Schwingspiegels 8
    38
    Antrieb des Schwingspiegels 8
    39
    Ausgang des Regelkreises 31 für Stellgrößen
    40
    Eingang der Strahlquelle 1
    41
    Eingang des Antriebsmotors 10
    42
    Eingang des Antriebs 38 des Schwingspiegels 8

    Claims (10)

    1. Verfahren zum Härten von Werkstückoberflächen mittels Strahlen, insbesondere mittels Laserstrahlen, bei dem eine laserstrahlformende Härteoptik (4) und die Werkstückoberfläche relativ zueinander bewegt werden, der Auftreffort (14) des Arbeitslaserstrahlflecks (13) während des Härtens durch Ablenkbewegung von Strahlformungseinrichtungen der Härteoptik (4) quer zur Vorschubrichtung (11) oszilliert und die Werkstückoberflächentemperatur fortlaufend gemessen und ihre Verteilung längs der Vorschubrichtung geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
      die Temperaturstrahlung des quer zur Vorschubrichtung oszillierenden Auftreffortes des Arbeitslaserstrahlflecks mittels teildurchlässiger Spiegel (5) kolinear zum Strahlengang des Arbeitslasers durch die Härteoptik (4) hindurch einer Temperaturkontrolleinrichtung (17) zugeführt wird, von der stets momentan die Temperatur im Auftreffort (14) des Arbeitslaserstrahlflecks (13) exakt erfaßt wird, und daß
      die ermittelten Temperaturmeßdaten einem mit der Strahlquelle (1), der Strahlablenkung und Vorschubbewegung gekoppelten Regler (28) eingegeben werden, in dem eine Temperaturverteilung quer zur Vorschubrichtung (11) ermittelt wird und über den eine darauf abgestimmte Verteilung der Laserstrahlenergie und eine angepaßte Steuerung der Ablenkbewegung der Strahlformungseinrichtungen der Härteoptik (4) und der Vorschubbewegung unter Berücksichtigung bearbeitungsspezifischer Vorgaben derart erfolgen, daß eine homogene Temperaturverteilung auf der Werkstückoberfläche längs und quer zur Vorschubrichtung erzeugt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als bearbeitungsspezifische Vorgaben Materialeigenschaften, die Einhärtetiefe, die Erwärmungs- und Abkühlungsdauer, die Werkstückgeometrie, die Auslenkbewegung, die Vorschubbewegung und die Bearbeitungszeit gewählt werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Proportionalregelung der Temperatur erfolgt, indem vom geforderten Temperatursignal das aktuelle subtrahiert und die Differenz mit einem Faktor X zur Steuerung der Strahlleistung multipliziert wird, wobei die Strahlablenkung periodisch sinusförmig und die Vorschubgeschwindigkeit konstant gehalten werden.
    4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine komplexe Regelung der Temperatur erfolgt, indem aus dem Temperaturverlauf eines vorausgegangenen Arbeitszyklusses eine Ablenkungsbewegung erzeugt wird, die durch die entsprechende Geschwindigkeit die geforderte Temperatur für den folgenden Arbeitszyklus einstellt, wobei zur Anpassung der Einwirkdauer des Strahls für jeden einzelnen Punkt bei hohen Temperaturen die Ablenkgeschwindigkeit abschnittsweise erhöht und bei niedrigen abschnittsweise gesenkt wird und wobei die Strahlablenkung und die Vorschubbewegung annähernd so gehalten werden, daß die Strahlquelle immer an der Leistungsgrenze gehalten wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bekannte Abschnitte fehlender Werkstückoberfläche (Bohrungen oder Kanten am Werkstück) mit hoher Ablenkgeschwindigkeit übersprungen werden.
    6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Vorschubrichtung die Temperatur der heißesten Stelle der vom Laser bestrahlten Werkstückoberflächenlinie zur Regelung des Laserleistungsniveaus aufgrund der ortsaufgelösten Temperaturmessung quer zur Vorschubrichtung genutzt wird.
    7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, mit einer regelbaren Strahlquelle (1), insbesondere einem Festkörperlaser, mit einer Härteoptik (4) mit einer strahlformenden Ablenkeinrichtung (8), von der der Arbeitslaserstrahlfleck (13) auf einer Werkstückoberfläche quer zur Vorschubrichtung (11) oszillierend aufbringbar ist, mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer relativen Vorschubbewegung von Härteoptik (4) und Werkstückoberfläche und mit Einrichtungen (17) zum Erfassen der Werkstückoberflächentemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß
      die Härteoptik (4) mindestens einen teildurchlässigen Spiegel (5) aufweist, durch den die unmittelbar vom Auftreffort (14) des Arbeitslaserstrahlflecks (13) kommende Temperaturstrahlung (15) über die Ablenkeinrichtung (8) durch die Härteoptik (4) hindurch einer Temperaturkontrolleinrichtung (17) zuführbar ist, von der stets momentan die Temperatur am Auftreffort (14) des Arbeitslaserstrahlflecks (13) auch quer zur Vorschubrichtung (11) meßbar ist,
      daß der Ausgang (25) der Temperaturkontrolleinrichtung (17) mit einem Eingang (26) eines Istgrößen verarbeitenden Regelkreises (27) eines Reglers (28) verbunden ist, dem die Meßdaten der Temperaturverteilung quer zur Vorschubrichtung (11) zur Verarbeitung eingebbar sind und der mit dem Ausgang (35) der Strahlquelle (1), dem Ausgang (36) der Einrichtung (10) zum Erzeugen der relativen Vorschubbewegung und dem Ausgang (37) des Antriebs (38) der Ablenkeinrichtung (8) zur Aufnahme der Ist-Strahlleistung bzw. der Ist-Vorschubbewegung bzw. der Ist-Strahlablenkung verbunden ist,
      daß der den Istgrößen zugeordnete Regelkreis (27) des Reglers (28) ausgangsseitig mit dem Eingang (30) eines Stellgrößen erzeugenden Regelkreises (31) des Reglers (28) verbunden ist, der eingangsseitig zugleich mit dem Ausgang (32) eines Sollgrößen verarbeitenden Regelkreises (33) des Reglers (28) verbunden ist, dessen Eingang (34) bearbeitungsspezifische Vorgaben (Bearbeitungsparameter) aufnimmt, und
      daß der Ausgang (39) des Stellgrößen erzeugenden Regelkreises (31) des Reglers (28) mit dem Eingang (40) der Strahlquelle (1), dem Eingang (41) der Einrichtung (10) zum Erzeugen der relativen Vorschubbewegung (11) und dem Eingang (41) des Antriebs (38) der Ablenkeinrichtung (8) zur Steuerung einer an einen homogenen Temperaturverlauf angepaßten Verteilung der Laserstrahlenergie bzw. angepaßten Vorschubbewegung bzw. angepaßten Strahlablenkung verbunden ist.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturkontrolleinrichtung (17) einen dem teildurchlässigen Spiegel (5) der Härteoptik (4) in Richtung des Verlaufs der Temperaturstrahlung (15) nachgeordneten Umlenkspiegel (16) aufweist, von dem die Temperaturstrahlung (15) durch eine Reihenanordnung eines Bandpaßfilters (18) einer Blende (19) und einer Linse (20) lenkbar ist, von der die Temperaturstrahlung (15) auf eine nachgeordnete Lochblende (21) fokussierbar ist, der ein IR-Detektor (22) in Strahlrichtung nachgeordnet ist, von dem stets die Temperatur im Auftreffort (14) des quer zur Vorschubrichtung (11) oszillierenden Arbeitslaserstrahlflecks (13) exakt meßbar ist.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung (8) der Härteoptik (4) ein Schwingspiegel ist.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung (8) der Härteoptik (4) ein Scannerspiegel ist.
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